(57)【要約】 【課題】  セパレータの厚みに左右されないガス供給管の接続機構を提供する。【解決手段】  固体電解質層の両面に電極層を配した発電セル５と内部にガス通路を有する板状セパレータ８を交互に複数積層してスタック化する。各セパレータ８の外周部にガス通路が連通するタブ部１３、１７を延設し、当タブ部１３、１７に接続部材１４、１８を溶着する。接続部材１４、１８には、ガス通路と連通してガス供給管１０、９が側方より接続される通孔１５、１９が設けられている。積層方向に隣接する各接続部材１４、１８が千鳥状にずれるように、セパレータ８を配置してスタック化されている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層の両面に電極層を配して構成した発電セルと、内部にガス通路を設けた板状セパレータを交互に複数積層してスタック化すると共に、ガス供給管により前記各セパレータを通して各電極層に反応用ガスを供給する固体酸化物形燃料電池において、
前記各セパレータの外周部に前記ガス通路が連通するタブ部を延設し、
当該タブ部に接続部材を固着し、
当該接続部材に前記ガス通路と連通して前記ガス供給管が側方より接続される通孔を設け、
且つ、積層方向に隣接する各接続部材が相互にずれるように、前記セパレータを配置してスタック化されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記各接続部材の形成位置を周方向にずらしたセパレータを交互に用い、前記接続部材を積層方向に対して千鳥状に配列したことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記接続部材を四角形状とし、一端側に前記タブ部が嵌合する凹部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板積層型の固体酸化物形燃料電池に関し、特に、セパレータの薄型化に対応可能なガス供給管の接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）とで挟み込んだ積層構造を有する。
この積層体から成る発電セルを、間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してセパレータと交互に複数積層することにより高出力の燃料電池スタックを構成できる。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、反応用のガスとして空気極側に酸化剤ガス（酸素) が、燃料極側に燃料ガス (Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
【０００４】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次の通りである。
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。この電子を別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
【０００５】
図３は平板積層型の燃料電池スタック１の一構成例を示しており、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体７（酸化剤極集電体）と、各集電体６、７の外側のセパレータ８をそれぞれ順番に積層した構造を有し、形状は円筒状である。
【０００６】
例えば、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【０００７】
上記セパレータ８は、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対して外部からの反応用ガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極層３に対向する面から吐出させる燃料通路と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の酸化剤極層４に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路とをそれぞれ有している。
【０００８】
燃料ガスは、外部マニホールド（図示せず）より燃料ガス供給管１０を介して各セパレータ８の燃料ガス通路に導入されるようになっており、酸化剤ガスは、別の外部マニホールドより酸化剤ガス供給管９を介して各セパレータ８の酸化剤ガス通路に導入されるようになっている。
【０００９】
尚、セパレータとガス供給管の接続構造を開示する先行技術として、例えば、特許文献１がある。特許文献１には、各セパレータに設けたガス分配溝に、その先端部を突入する多数の噴出ノズルを備えた外部マニホールドが開示されている。
【特許文献１】特開平５−３０３９６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、図３、および上記特許文献１に示されたガス供給管の接続構造は、燃料電池スタックの薄型・軽量化には不利であった。これは、以下のような理由による。
【００１１】
上記接続構造は、セパレータの肉厚を利用して直接ガス供給管を接続するもので、接続されるべきガス供給管の最大径がセパレータの厚みに大きく左右される構造となっているためである。
すなわち、薄型化のために各セパレータ８の肉厚を薄くしていくと、これに応じてガス供給管のパイプ径も細くせざるを得ず、パイプ径を細くした結果、反応用ガスの供給不足が発生したり、内部改質方式の燃料電池では、燃料改質時のカーボン析出でパイプ詰まりを起こす等の問題が発生する危険性があり、よって、セパレータの肉厚を闇雲に薄くすることはできず、薄型化には限界があった。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、セパレータの厚みに左右されずないガス供給管の接続機構を提供することにより、燃料電池スタックの薄型化、軽量化を可能とした平板積層型の固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の両面に電極層を配して構成した発電セルと、内部にガス通路を設けた板状セパレータを交互に複数積層してスタック化すると共に、ガス供給管により前記各セパレータを通して各電極層に反応用ガスを供給する固体酸化物形燃料電池において、前記各セパレータの外周部に前記ガス通路が連通するタブ部を延設し、当該タブ部に接続部材を固着し、当該接続部材に前記ガス通路と連通して前記ガス供給管が側方より接続される通孔を設け、且つ、積層方向に隣接する各接続部材が相互にずれるように、前記セパレータを配置してスタック化したことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記接続部材の形成位置を周方向にずらしたセパレータを交互に用いたことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記接続部材を四角形状とし、一端側に前記タブ部が嵌合する凹部を設けたことを特徴としている。
【００１６】
上記構成では、ガス供給管が接続される接続部材をセパレータの外側に突設すると共に、積層方向において上下接続部材が重ならないよう、各接続部材の突設位置をセパレータの周方向に交互にずらして千鳥状に配置することにより、セパレータの厚さに左右されることなく、反応用ガスを適度に導入できる好適径のガス供給管をセパレータに取り付けることができるようになる。
これにより、セパレータの厚さを任意に薄くすることが可能となり、燃料電池スタックの薄型化・軽量化が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、ガス供給管が接続される接続部材をセパレータの外側に突設し、且つ、積層方向に隣接する各接続部材が千鳥状にずれるようにセパレータを配置してスタック化したので、セパレータの厚さに左右されない、好適径のガス供給管を接続することができる。
これにより、セパレータの薄型化が可能になり、その結果、燃料電池スタックの薄型化、軽量化が実現できる。加えて、軽量化により、スタックの下方部に位置する電池セルへの重圧を軽減することができ、加重による発電セルの破壊も防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を図１、図２に基づいて説明する。図１は本発明が適用されたセパレータの構造を示し、図２は図１のセパレータを用いて組み立てた平板積層型の燃料電池スタックを示している。
尚、説明を簡略化するため、以下の説明において従来と共通する部材については同一の符号を用いた。
【００１９】
図２に示す本実施形態の燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで単セルを構成し、これを多数積層してスタック化した構成は図３に示した燃料電池スタック１と同様で、各素材も同様なものを使用できるものであるが、図３と本発明はセパレータ８とガス供給管９、１０との接続構造が相違している。以下、その接続構造の詳細を説明する。
【００２０】
本実施形態のセパレータ８は、円板状のステンレス製の単板であって、図１に示すように、その内部には、燃料ガス通路１１と酸化剤ガス通路１２の２本のガス通路がそれぞれ渦巻状に形成されている。
【００２１】
これら燃料ガス通路１１と酸化剤ガス通路１２のガス導入部分は、それぞれセパレータ８の外周部において外方向に延接されて矩形状のタブ部１３、１７と成されており、各端面に上記燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２に反応用ガスを導入するためのガス導入口１１ａ、１２ａを開口している。
【００２２】
これらタブ部１３、１７の先端部に、酸化剤ガス供給管９および燃料ガス供給管１０の接続用アダプタとなる接続部材１４、１８が固着されている。
一方の接続部材１４は、ガス導入口１１ａを介して燃料ガス通路１１に連通する所定径の通孔１５を有し、その開口部に、例えば、図示しない燃料ガスマニホールドから延長された燃料ガス供給管１０の一端が側方（水平方向）より接続される構造であり、また、他方の接続部材１８は、ガス導入口１２ａを介して酸化剤ガス通路１２に連通する所定径の通孔１９を有し、その開口部に、例えば、図示しない酸化剤ガスマニホールドより延長された酸化剤ガス供給管９の一端が側方（水平方向）より接続される構造となっている。
【００２３】
これらガス供給管の接続は、接続部材１４、１８の各通孔１５、１９に各ガス供給管９、１０の先端部を差し込むだけで良い。このような接続機構では、供給ガスの噴出圧力により圧力損失が生じて接続部分のシール性は充分確保されており、通孔とガス供給管の隙間から電池性能に悪影響するようなガス漏れが生じる心配はない。
【００２４】
また、これら接続部材１４、１８は、何れも所定の厚みを有する四角形状とし、各タブ部１３、１７との接続は、図１（ｃ）に示すように、各タグ部１３、１７の一端側に設けた凹部１６、２０にタブ部１３、１７の先端部を嵌合・位置決めし、その嵌合部分を溶接３０により固着するようにしている。尚、この接続部材１４、１８は円筒形状としても良いが、角形形状は加工性の面でメリットを有する。
【００２５】
上記構成では、外部からの燃料ガスは、燃料ガス供給管１０から接続部材１４の通孔１５を介してタブ部１３のガス導入口１１ａよりセパレータ８内の燃料ガス通路１１に導入され、当燃料ガス通路１１内を渦巻状に流通して、中央部の吐出孔１１ｂより、対面する燃料極集電体６に向けて燃料ガスを吐出するようになっており、一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管９から接続部材１８の通孔１９を介してタブ部１７のガス導入口１２ａよりセパレータ８内部の酸化剤ガス通路１２内に導入され、中央部の吐出孔１２ｂより対面する空気極集電体７に向けて空気を吐出するようになっている。
【００２６】
また、本実施形態では、図２に示すように、タブ位置が異なる２種類のセパレータ８を用いており、スタック組立の際は、これらを交互に用いて積層することにより、積層方向において上下セパレータ８の接続部材１４、１８同士が重ならないよう、千鳥状に配置されるようにしている。
【００２７】
このように、各接続部材を千鳥状に配置することにより、積層方向において、上下方向に一致する接続部材間の隙間を充分に確保することができ、よって、接続部材１４、１８をガス供給管９、１０の必要径に対応した好適な厚みに設定することができ、従来のように、ガス供給管９、１０の径がセパレータ８の厚みに左右されるといった不都合を解消できる。
【００２８】
例えば、本実施形態では、厚さ２．５ｍｍのセパレータ８に厚さ６ｍｍの接続部材１４、１８を突設し、その通孔１５、１９にセパレータ８の厚み２．５ｍｍ以上となる、外径２．８ｍｍのガス供給管１０、９を接続している。
【００２９】
このように、セパレータ８の厚みをガス供給管９、１０の径に左右されることなく薄くすることができれば、セパレータ８の薄型化による燃料電池スタック１の薄型化、軽量化が実現できる。
加えて、セパレータ８の軽量化により、縦方向に積層された燃料電池スタックにおいては、下方部に位置する電池セル５への重圧を軽減でき、加重によって発電セル５が破損するといった事故も防止できる。これにより、一基の燃料電池スタックにおいて積層可能な発電セルの数を増加することができ、小型・軽量、且つ、高出力の燃料電池スタック１を提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明が適用されたセパレータの構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）はＡ−Ａ断面図。
【図２】図１のセパレータを用いた平板積層型の燃料電池スタックのを示す外観斜視図。
【図３】燃料電池スタックの一構成例を示す分解斜視図。
【符号の説明】
【００３１】
１  固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）
２  固体電解質層
３、４  電極層（燃料極層、酸化剤極層）
５  発電セル
８  セパレータ
９、１０  ガス供給管（酸化剤ガス供給管、燃料ガス供給管）
１１、１２  ガス通路（燃料ガス通路、酸化剤ガス通路）
１３、１７  タブ部
１４、１８  接続部材
１５、１９  通孔
１６、２０  凹部
【図１】
2006012548.tif 000003
【図２】
2006012548.tif 000004
【図３】
2006012548.tif 000005